電動汽車逆變器IGBT故障檢測分析技術研究

劉向辰

（蘭州石化職業技術大學汽車工程學院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

電動汽車的動力驅動系統主要是由電子中央控制單元、逆變器驅動單元、交流/直流電動機、傳感器單元以及變速差速單元等組成，電動汽車動力傳動組成框架如圖1所示。

圖1 電動汽車動力傳動組成框架

圖1中，當駕駛員的油門和剎車信號作為輸入信號進入電子中央控制單元時，指令信號通過放大并轉換成PWM信號，將PWM信號送至逆變器驅動單元，由逆變器驅動單元調節電動機的轉矩和轉速，使車輛按照駕駛員的目標指令行駛［1］。

因此在整個電動汽車的動力傳動系統中，逆變器驅動的作用十分關鍵，它起到協調電動機和蓄電池之間能量平衡以及匹配電動機輸出功率的巨大作用［2］。

為了提高逆變器Z型電路IGBT運行的安全性和可靠性，吳越［3］等人通過仿真比較IGBT一個開關周期內故障通斷狀態，對斷路狀態下的電流故障分量進行討論，與離線故障量進行對比，得出故障判斷結果。謝敬青［4］通過標記故障IGBT工況下的3次、5次、7次諧波分量的幅值和相位，通過與正常運行狀態下的IGBT諧波的幅值和相位進行FFT［5］分析比對，最后確定故障類型，提高了檢測精度。

在充分研究以上文獻的基礎上，設計了一種電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備，該設備通過內部IGBT斷路/短路探測分檢電路將檢測到的IGBT故障電流信號送至數字式DSP TMS320F2812［6-7］進行分析處理，將分析處理后的故障結果通過LED顯示至屏幕上，極大程度提高故障檢測的準確性和售后便捷性。

1 電動汽車IGBT斷路與短路問題

電動汽車在行駛過程中，電機驅動逆變器IGBT組件工作環境一般較為苛刻，經常處于線路過電壓沖擊和負載過電流沖擊的工況下，致使IGBT更加容易出現故障，其中最為常見的故障是IGBT短路現象和IGBT斷路現象。

電動汽車電動機動力驅動逆變器IGBT組件出現故障的原因主要有以下幾點。

1.1 短時間內電流急劇升高

由于線路或負載阻抗出現變化、逆變器控制序列出錯等原因導致經過IGBT的電流瞬時增大，超過了IG?BT允許流過的最大電流值，造成IGBT組件出現問題。

1.2 外部機械力

當電動機驅動IGBT組件受到人為外力或車輛碰撞等狀況時，有可能導致IGBT出現故障。

1.3 長時間高溫工作

當IGBT長時間工作在溫度超過其能承受的最高溫度時（目前普遍采用的是能夠承受150℃的IGBT），IGBT也會面臨故障風險。

2 電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備

在研究了多種較為常見的IGBT現場檢測的基礎上，設計了一種電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備，其結構如圖2所示。

圖2 電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備結構

電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備的控制單元包括：故障LED顯示、數據通訊、數據調理和數據處理等分模塊。

該設備具有以下功能：

功能1：IGBT短路現象以及斷路現象判斷與分析；

功能2：故障現象的實時顯示。

基于TMS320F2812數字芯片DSP的IGBT故障探測分檢電路控制原理如圖3所示。

圖3 基于TMS320F2812數字芯片DSP的IGBT故障探測分檢電路控制原理

IGBT手持式故障探測分檢設備的控制單元采用數字信號處理器TMS320F2812。

本設備的數字信號芯片選用德州TI公司出品的TMS320F2812，該芯片采用32位運算、150 MHz芯片工作運算頻率，計算分析精確度高、功耗低、性能穩定、功能拓展快捷、存儲量大等諸多優點，廣泛適用于制造業流水線電機驅動、特高壓交直流變換、手持機械裝置、醫用電動手術設備等多個行業。

TMS320F2812芯片的內部存儲空間為256 kb×16 bit，如需要擴展時，可以由外部擴充至512 kb×16 bit nor flash；RAM隨機存儲器為34 kb×16 bit，如需要擴展時，可以由外部擴充至256 kb×16 bit SRAM；并且采用多種通訊總線，如：SPI、CAN、I2C以及PWM，完全能夠滿足本設備故障采集、調理、運算和數據儲備要求。

TMS320F2812最小外部拓撲組件還包括：上拉電阻、下拉電阻、時鐘晶體振蕩電路、看門狗復位電路、EEPROM、供電電源、外部拓展存儲器等。

供電電源選擇基于HWD70302芯片的供電電路，該電路的輸入電壓為5 V，輸出電壓有3種，分別為3.3 V、2.5 V和1.9 V，可以滿足TMS320F2812芯片的正常供電；EEPROM全稱為選擇帶電可擦除可編程只讀存儲器，它是一種在斷電后數據依舊存在的芯片，經過通電擦除以后，可以再次編輯、書寫、導入程序，本產品采用的EEPROM為HWD24C256；晶體振蕩電路主要作用是生成振蕩頻率，廣泛應用于各種DSP電路中，該產品一般由金屬外殼封裝，封裝內部一般為IC電子器件組成的振蕩部分。

針對純電動汽車動力驅動逆變器IGBT短路現象和斷路現象可以快速實現準確檢測，IGBT斷路/短路探測分檢電路如圖4所示。

圖4 IGBT斷路/短路探測分檢電路

通過IGBT斷路/短路探測分檢電路，可將電動汽車IGBT短路或斷路現象實時傳輸到LED顯示屏上，幫助維修售后人員快速判斷故障類型以及故障出現的原因。相比于傳統檢測方式，IGBT手持式故障探測分檢設備能夠更加準確、快速地判斷出IGBT故障類型。

IGBT手持式故障探測分檢模塊中的電壓傳感器選用直流/交流霍爾光電型三相電壓穿孔傳感器（電流變換規格為0～5 A轉4～20 mA），霍爾光電型三相電壓穿孔傳感器是基于物理學中的霍爾特性，將需要測量電壓的一側經過外接電阻或者內接電阻，從而使得需要測量端的電流嚴格限制在10 mA以內，測量端的微小電流信號經過電磁繞組后，通過電磁繞組磁場的作用，在電磁感應定理的作用下，產生感應電壓，在檢測端被霍爾元件探測到，該感應電壓值即為測量端的電壓；放大芯片選用CA3130輸入高阻運算放大器；比較運算放大器選用LM211D，LM211D集電極和發射極的輸出信號穩定，精度較高；隔離光電耦合選用PC817AC非線性隔離光電耦合，隔離光電耦合的結構是將發光二極管和光敏組件連接在一起，使幾個電路之間通過光信號連接，而沒有直接的電信號連接，這樣可以消除由于電信號連接而產生的電磁干擾問題，隔離光電耦合在實際工程項目中經常用到。

本設備設計的隔離光電耦合電路的隔離電容低于1 pF；電流直流分量的傳輸比為20%～25%，其光電傳輸效能較好；隔離端兩側的絕緣電壓為1～5 KV，絕緣電阻為1 kΩ；電壓降落飽和值較低，為0.3 V；動態響應速度快。

IGBT手持式故障探測分檢設備需要+12 V直流電源作為能量來源，通過逆變器將220 V交流電轉換成12 V直流電。

3 硬件電路原理分析與設計

在軟件Altium designer 14下設計了PCB硬件電路原理圖，IGBT故障電流采集調理電路PCB原理如圖5所示。

圖5 IGBT故障電流采集調理電路PCB原理

設計IGBT故障電流采集調理電路的核心是放大運算電路，本設備設計研發的IGBT故障電流采集調理電路采用了兩個放大運算電路，放大運算電路是現今電力、電子和自動化生產領域中應用最為廣泛也是最基礎的電子單元之一，它是構成大容量集成運算電路的基礎部件。所謂放大運算電路，就是將微小的電信號，一般為十幾毫安、微安的電壓、電流信號，不失真的放大到需要的數值，且在放大過程中，電壓、電流的波形、幅頻等關鍵特性與原信號一致，不得改變。

通過故障電流采集調理電路，可以將IGBT斷路故障電流和短路故障電流準確檢測并采集，并送至數字信號處理器TMS320F2812，進行分析和處理。

基于RS422芯片的數據通訊傳輸電路PCB原理如圖6所示。

圖6 基于RS422芯片的數據通訊傳輸電路PCB原理

RS422是數字平均電壓電路接口通道的簡寫，RS422在傳輸信號時，一共使用了5根數字信號傳輸線，其中最后1根為地線。相比于RS232，RS422由于采用了輸入端高阻值、輸出端低阻值，從而使RS422有更加優異的帶動負載能力和信號驅動能力，因此在同一條信號傳輸線路上，可以連接更多的接收端點（最多可以連接256個接收端點），且不影響其余端點信號的正確、實時傳送。

標準的RS422包含1個主收發端點和若干個從收發端點，但是從收發端點之間不能自主完成信號的傳送，RS422的最大輸入阻抗為4 kΩ，最大帶動負載能力為10×4 kΩ+100 Ω。

RS422各個收發端點采用獨立的接收和發送通路，所以不用考慮數據傳送方向選定的問題，每個收發端點之間信息和數碼的交互可以采用軟件和硬件兩種方式。RS422最遠且不失真的信息傳送距離為1 200 m左右，在此距離內最大傳輸速率為10 Mb/s，但由于其采用的傳輸線制造材料為雙絞線，因此其數據傳送過程中，數據傳送距離和傳送速率成反比，因此在實際工程項目中，一般傳輸速率保持穩定在100 kb/s以下。

RS422作為一種全雙工通信方式，其信號在采集、調理過程中，具有反射干擾，信號傳輸精度高等諸多優點，可以實現信號的高精度傳送。

4 現場分析與檢測

通過電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備的現場實驗檢測分析，IGBT斷路故障和短路故障電流實驗結論如圖7所示。

通過實驗分析，比較圖7中（a）和（b）可以清晰看出，斷路故障電流的階躍峰值持續時間明顯高于短路故障電流的階躍峰值持續時間。由此可以看出，電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備可以準確判斷出電子器件的斷路故障和短路故障，并將檢測結果傳輸至數字信號處理器CPU，通過計算分析由LED顯示出來，大大降低了故障的檢測精度、提高了方便性。

圖7 實驗分析

5 結論

電動汽車動力驅動逆變器IGBT手持式故障探測分檢設備，通過內部IGBT斷路/短路探測分檢電路將檢測到的IGBT故障電流信號送至數字DSP TMS320F2812進行運算、比對和處理，將分析處理后的故障結果通過LED顯示至屏幕上，可以方便、快捷、準確的判斷車輛用逆變器IGBT存在的故障問題。